Текст книги "Металлические строительные материалы и изделия"

В последние годы широкое применение получил метод термомеханической обработки стали, который применяют для повышения ее механических свойств. Метод предусматривает нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, закулку и отпуск. При этом способе обработки растет прочность и пластичность стали.

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава поверхностного слоя стального изделия путем насыщения его каким-либо другим веществом – углеродом, азотом, хромом, цианом с целью повышения твердости, прочности и износоустойчивости, сохранив при этом высокие механические свойства самого изделия.

Существуют следующие виды химико-термической обработки изделий: цементация, азотирование, цианирование, хромирование, диффузионная металлизация.

Цементация представляет процесс, при котором происходит насыщение поверхности изделий из стали углеродом при температуре среды 880 – 950 градусов.

При азотировании происходит высокотемпературное насыщение поверхности изделий из стали азотом при нагревании до 500 – 700 0С в атмосфере аммиака. В результате проведения этой операции повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости стали. Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие в качестве легирующего вещества алюминий.

При цианировании происходит параллельное обогащение поверхности азотом и углеродом.

При хромировании происходит насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование помогает повысить твердость и коррозионную стойкость стали при действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной среды при высокой температуре.

При диффузионной металлизации происходит поверхностное насыщение стали алюминием, кремнием, бором и другими химическими элементами.

Металлизацию выполняют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных веществ, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии. Такая обработка придает поверхностным слоям жаростойкость, износоустойчивость, повышает сопротивляемость коррозии.

Медь представляет собой мягкий и тягучий металл красноватого цвета, который легко обрабатывается давлением и волочением, обладает очень высокой теплопроводностью и электропроводностью. Из меди легко штамповать и чеканить. Она легко принимает самую разнообразную форму. Медь хорошо прокатывается: из нее изготовляются тончайшие листы и ленты, а также различные трубки, прутки, проволока. Однако из-за вязкости медь плохо опиливается и быстро забивает напильник. Обработка чистой меди на режущих станках также трудна – ее плохо точить, фрезеровать и сверлить.

Отливается медь плохо, даже при высокой температуре остается густой и плохо заполняет форму. Кроме этого, расплавленная медь быстро поглощает газы, и отливки получаются пористыми. В сухом воздухе медь не окисляется. При нагреве свыше 180 0С, а также под воздействием воды, щелочей и кислот медь окисляется.

На открытом воздухе изделия из красной меди быстро покрываются пленкой из окислов меди зеленого цвета и сернистых соединений меди черного цвета. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии в глубину. Обозначают медь буквой М и цифрами от 00 до 4 (М00 – чистая медь без примесей, М4 – до 99 % чистой меди).

Чистовой обработке, шлифовке, полировке медь подвергается хорошо, однако из-за малой твердости детали из полированной меди быстро теряют блеск. В строительстве медь чаще всего используется в виде сплавов.

Сплавы меди с цинком называют латунями, все остальные сплавы на медной основе – бронзами. Кроме того, медь добавляют в специальные стальные сплавы.

Латунь представляет собой сплав меди с цинком (до 45 %) с добавками олова, марганца, алюминия, никеля, железа, кремния и других элементов. В сумме добавки, придающие сплаву определенные физические и механические свойства, могут составлять до 10 %.

Латуни дешевле меди и превосходят ее по вязкости и коррозионной стойкости. Кроме того, латуни обладают хорошими литейными свойствами. Латуни, содержащие до 38 % цинка, обладают высокой пластичностью и несколько большей прочностью по сравнению с медью. При увеличении содержания цинка повышается твердость, улучшаются литейные свойства латуни, но понижается ее пластичность. В зависимости от химического состава различают простые и специальные латуни.

Простые латуни обладают высокой пластичностью и обрабатываются давлением, они состоят только из меди и цинка. Маркируются простые латуни буквой Л, за которой стоят цифры, указывающие содержание меди в процентах. Например, Л65 – латунь, содержащая 65 % меди и 35 % цинка.

Латуни специальные, кроме цинка и меди, содержат 1…8 % различных легирующих элементов, которые улучшают механические свойства и коррозионную стойкость. Легирующие элементы, входящие в состав специальных латуней, обозначаются следующим образом: А – алюминий; Мц – марганец; К – кремний; С – свинец; О – олово; Н – никель; Ж – железо; Ц – цинк; Мш – мышьяк. При маркировке специальных латуней за буковой Л ставят буквы, принятые для условного обозначения легирующего элемента. Далее первые две цифры указывают среднее содержание меди в процентах, а последующие цифры указывают содержание легирующих элементов также в процентах. Остальное содержание сплава составляет цинк.

Латуни с малым содержанием цинка (3…20 %) называют томпаками. Они отличаются красновато-желтым цветом и применяются в строительстве для изготовления некоторых художественных деталей в интерьерах с последующим нанесением на них защитных покрытий. На открытом воздухе латунь быстро теряет свой блеск и золотистый цвет, покрывается сернистыми и оксидными пленками, чернеет и теряет свои декоративные качества. Поэтому для экстерьерных изделий применяют не латунь, а бронзу.

Бронза является сплавом меди с оловом (3…12 %), свинцом, алюминием, марганцем, фосфором, никелем, железом и другими элементами. По химическому составу бронзы делятся на оловянные и безоловянные (алюминиевые, марганцовистые, кремнистые, свинцовые и др.). Чаще всего применяют алюминиевые и оловянные бронзы.

С увеличением процентного содержания олова цвет бронзы изменяется от красного (при содержании меди не менее 90 %) в желтый (при содержании меди не менее 85 %), в белый (при 50 %) и в серо-стальной – при содержании меди менее 35 %.

При содержании олова до 5 % бронза куется только в состоянии красного каления. При содержании олова до 3 % бронза очень пластична в холодном состоянии. Сплав с 5 % олова называется медальной бронзой или монетной.

Маркируются бронзы также, как и латуни. Название сплава обозначается буквами Бр, а следующие буквенные и цифровые обозначения указывают вид и массовую долю легирующих элементов.

Бронзы и латуни обладают многими очень важными для техники свойствами: они прочны, могут быть получены высокой твердости, обладают хорошими антифрикционными свойствами, имеют высокую коррозионную стойкость. В строительстве, как правило, их применяют для изготовления санитарно-технической аппаратуры, а также для отделочных и декоративных целей.

Алюминий. Алюминий представляет собой легкий металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Он достаточно теплопроводен и электропроводен, коррозионно стоек и жароустойчив. Плавится при 658 0С. Чистый алюминий мягок и непрочен. Поверхность алюминия, находящегося на воздухе, всегда покрывается оксидной пленкой, имеющей температуру плавления 2050 градусов. Пленка эта предохраняет металл от окисления, придавая ему коррозионную стойкость.

Алюминий хорошо поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Хорошо полируется и обладает высокой отражательной способностью. Прочность алюминия сравнительно невелика, что не позволяет его использовать для несущих конструкций, однако при легировании его различными добавками прочность может быть значительно повышена. Основными компонентами в сплавах, резко изменяющими свойства алюминия, являются медь, кремний, хром, марганец, никель, железо, магний, цинк.

Алюминий особой чистоты – А999, состоящий из 99,999 % алюминия, и высокой чистоты – А995, А99, А97 и А95 используется в электрической, в химической и пищевой промышленности.

Применяемые в строительстве алюминиевые сплавы, приближаясь по прочности к основным маркам строительных сталей, имеют небольшую плотность и высокую стойкость против коррозии. Чаще всего в строительных конструкциях применяют алюминиевомагниевые сплавы с содержанием магния 2…2,8 % и 5,8…6,8 %; а алюминиевомарганцевый сплав; авиаль (сплав с повышенной пластичностью); дюралюмин конструктивный теплопроводный повышенной прочности; дюралюмин нормальной нормальной прочности и др.

Широко используют алюминиевые сплавы для изготовления прокатов в виде профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. Большое количество алюминиевых сплавов расходуется на изготовление заклепок и болтов.

Магний. Магний по внешнему виду очень похож на алюминий. Он является самым легким металлом, имеющим промышленное значение. По своим свойствам он значительно отличается от алюминия. Он не столь пластичен, оксидная пленка его менее прочна, пориста, он легко коррозирует. Магний устойчив к едким щелочам, но растворяется в кислотах. Он обладает большой активностью к кислороду, легко самовозгорается и горит с ярким белым свечением. В чистом виде в основном применяется в пиротехнике, как конструкционный материал не применяется из-за своих низких механических свойств. Как правило, магний идет для приготовления различных легких сплавов.

Никель. Никель представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 1453 0С, пластичный, ковкий, прочный, обладает высокой отражательной способностью, коррозионной стойкостью, хорошими ферромагнитными свойствами.

На воздухе магний не окисляется, щелочи на него почти не действуют. Растворяется в разбавленной азотной кислоте; в серной и соляной кислоте растворяется в подогретом состоянии. Применяется главным образом для получения сплавов с железом, медью, хромом и другим и металлами, а также для защитного антикоррозионного и декоративного покрытий.

Титан. Титан представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 1660 градусов. Коррозионно стоек во многих агрессивных средах. Удовлетворительно обрабатывается ковкой, резанием, прокаткой и прессованием, литейные свойства низкие.

Сплавы титана с алюминием, ванадием, хромом, железом, молибденом, марганцем и углеродом обладают высокими механическими свойствами, жаростойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы широко используются в строительстве, в машиностроении, авиастроении, химической, медицинской промышленности и т.д. Карбиды титана входят в состав твердых сплавов. Для улучшения механических свойств титановые сплавы подвергаются закалке и отпуску.

Цинк. Цинк – белый металл с голубоватым оттенком. На свежем изломе имеет характерный блеск, быстро тускнеющий на воздухе. При температуре 420 0С цинк плавится. Начиная с 500 0С, цинк на воздухе сгорает, образуя окись, кипит при 930 градусах.

В сухом воздухе цинк не изменяется, во влажном он быстро покрывается прочной оксидной пленкой и приобретает тусклый синеватый цвет. Прочная оксидная пленка надежно защищает от дальнейшей коррозии. При накаливании на воздухе цинк загорается и горит с ослепительным блеском.

Растворяется цинк в соляной, серной, азотной, уксусной и других кислотах. В щелочах – едком натрие и едком калии цинк также растворяется с выделением кислорода. Обладает различными свойствами в зависимости от направления прокатки: вдоль прокатки у него сопротивление на разрыв меньше, чем поперек прокатки. Довольно хрупок, однако при нагревании до 110 – 150 0С хорошо поддается обработке давлением.

Режущими инструментами цинк обрабатывается плохо. При нагревании сильно расширяется значительно сильнее, чем другие металлы. В чистом виде цинк применяется в полиграфической промышленности, в химической промышленности, в строительстве для изготовления оцинкованного железа, для кровельных покрытий, карнизов и водосточных труб, для чеканки декоративных и архитектурных украшений и т.д.

Свинец. Свинец представляет собой тяжелый металл синевато-серого цвета, быстро тускнеющий на воздухе, покрываясь пленкой окисла. Это наиболее мягкий и вязкий из всех металлов. Он легко прокатывается, штампуется, прессуется, а также хорошо отливается, температура плавления – 327 градусов.

В сухом воздухе свинец не изменяется, но во влажном воздухе на его поверхности образуется пленка сначала окиси, а затем гидрата окиси, которая частично растворяется в воде. Поэтому под переменным воздействием воздуха и воды свинец постепенно разрушается. Однако процесс разрушения происходит очень медленно. Свинец хорошо сопротивляется действию соляной с серной кислот, а в азотной кислоте он растворяется. Не стоек против едких щелочей. Применяется как добавка в некоторые цветные сплавы и легкоплавкие припои. Пары, растворимые соединения свинца и его сплавов ядовиты и требуют большой осторожности при работе с ними. В строительстве цинк применяют для особых видов гидроизоляции, для зачеканки швов и стыков элементов строительных конструкций и др.

Олово. Олово представляет собой металл серебристо-белого цвета, мягкий, вязкий, немного тверже свинца. В холодном состоянии олово легко прокатывается в самые тонкие листы и проволоку, но проволока легко рвется.

Плавится олово при температуре 232 0С, на воздухе оно не окисляется, в воде окисляется очень медленно. Обладает хорошей коррозионной устойчивостью благодаря появлению оксидной пленки, что используется для изготовления белой жести – луженой тонколистовой стали.

При температуре ниже -13 0С олово теряет свои металлические свойства и переходит в серый порошок – «серое олово». Это явление называют «оловянной чумой». Оно сопровождается сильными внутренними напряжениями, приводящими к превращению металла в порошок. «Оловянная чума» проявляется в виде отдельных серых пятен, распространяясь при дальнейшем охлаждении по всему изделию. Предохранить или остановить распространение явления можно путем нагрева изделия выше +18 0С.

Металлические сплавы цветных металлов довольно часто применяются для изготовления строительных изделий высоких технических свойств. В прошлом в отделочной технике довольно широко применялись цветные металлы на основе меди, золота и серебра, однако в технических целях их применение ограничивалось из-за высокой стоимости.

В настоящее время в качестве строительного материала металлообрабатывающие предприятия выпускают широкий ассортимент металлических изделий:

– трубы стальные, медные, алюминиевые, из алюминиевых сплавов;

– болты, гайки, шайбы, заклепки и др.;

– прокатную угловую сталь – уголки, швеллеры, двутавры;

– прокат стальной тонколистовой, рулонный (толщиной 0,5…1,2 мм) с защитно-декоративным полимерным покрытием для холодного изготовления строительных изделий;

– стальные листовые профили их холоднокатанного проката оцинкованные, с алюмоцинковым или алюмокремниевым покрытием для кровельного настила (Н), настила и стеновых ограждений (НС) и только стеновых ограждений (С);

– прокатную круглую сталь, которая используется в качестве арматуры для железобетонных конструкций;

– прокатную листовую кровельная сталь, в том числе оцинкованную;

– стальную арматуру;

– металлические профили;

– строительные конструкции из алюминиевых сплавов.

Стальная арматура и металлические формы. Арматура является важнейшей составной частью железобетона. Она должна надежно работать совместно с бетоном на всех стадиях службы изделия. Арматура представляет собой стальные стержни различной формы, сетки и объемные каркасы из них, которые размещают в массе бетона. Применяют арматуру при изготовлении железобетонных изделий и конструкций для повышения их прочности на изгиб и растяжение, а также при внецентровом сжатии. В качестве арматуры для железобетона применяют высокопрочные низколегированные стали или арматурную сталь подвергают механическому упрочению или термической обработке.

Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления – стержневую (А) и проволочную (В); по характеру поверхности – гладкую и периодического профиля; по назначению – ненапрягаемую, которую применяют для изготовления обычного железобетона и напрягаемую, применяемую при производстве преднапряженных железобетонных конструкций.

Стержневую арматуру изготавливают из углеродистой и низколегированной стали, ее выпускают горячекатанной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии и термически упроченной. В зависимости от предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения при разрыве стержневую арматуру подразделяют на классы. Каждому классу соответствуют определенный цвет масляной краски, которой окрашивают концы стержней. Из стержней путем сварки получают плоские и пространственные арматурные каркасы. Применяемая для арматуры сталь, имеющая на поверхности отпадающую при ударе молотком окалину или ржавчину, масло и другие загрязнения, перед использованием должна быть очищена.

В качестве ненапрягаемой арматуры применяют стержневую арматуру диаметром до 10 мм и обыкновенную арматурную проволоку периодического профиля. В предварительно напряженных конструкциях применяют горячекатанную и термомеханически упроченную стержневую арматуру, высокопрочную арматурную проволоку и арматурные канаты. Арматурные канаты поставляют в бухтах диаметром 1,5…2, 0 м. Смотанные с бухт или барабанов канаты должны сохранять прямолинейность, правка арматурных канатов не допускается.

Проволочная арматура может быть в виде арматурной проволоки и арматурных проволочных изделий. Холоднотянутую арматурную низкоуглеродистую проволоку предназначают для ненапрягаемой арматуры, углеродистую высокопрочную арматурную проволоку предназначают для напрягаемой арматуры.

Проволочную арматуру диаметром 3 до 8 мм изготавливают способом холодного волочения и подразделяют на гладкую (В) и периодического профиля (Вр). Используют ее для получения арматурных канатов (К) и сварных арматурных сеток, которые могут быть рулонными и плоскими. Канаты испытывают на растяжение, проволоку – на растяжение и перегиб.

При возведении сборных железобетонных конструкций для соединения отдельных изделий путем сварки применяют закладные детали, которые представляют собой стальную пластину из стали с приваренным к ней анкерами из стали периодического профиля. Пластины располагают на поверхности железобетонного изделия, анкера располагают в теле бетона. Для обеспечения более прочной связи анкеры соединяют с арматурой изделия.

Монтажные петли, закладываемые в бетон, изготовляют из гладкой стали. Диаметр стержня определяют расчетом петли на разрыв и выдергивание из бетона. Для изготовления монтажных петель, используемых при подъеме и перемещении крупноразмерных конструкций, применяют горячекатанную арматурную сталь, для закладных деталей и соединительных накладок используют прокатную углеродистую сталь. Термически упроченная стальная арматура имеет высокие показатели предела текучести и временного сопротивления.

При производстве арматурных работ переход на изготовление предварительно напряженных конструкций позволяет значительно снизить потери металла. В предварительно напряженных конструкциях полное использование свойств высокопрочных сталей позволяет заменить малоэффективные тяжелые железобетонные изделия более легкими и тонкостенными. При замене сварной арматуры предварительно напряженной сокращение расхода стали по массе для большинства изделий при стержневом армировании составляет до 35 %, а при армировании высокопрочной проволокой – почти 50 %.

В современном строительстве все чаще применяют стеклопластиковую арматуру в виде проволоки и стержней различного диаметра, выполненную из продольно-ориентированных стеклянных волокон, связанных в монолит различными смолами. Кроме этого, разрабатывают и применяют различные виды пластиковой арматуры.

Металлические профили. Металлические профили представляют собой длинномерные элементы, выполненные методом холодной прокатки тонкой стальной ленты толщиной 0,5 – 0,8 мм на современном профилегибочном оборудовании. Стандартная длина профилей составляет 2750 мм, 3000 мм, 4000 мм, 4500 мм. По согласованию с заказчиком могут быть изготовлены профили иных размеров. На стенках профилей ПС (профиль стоечный), ПН (профиль направляющий), ПП (профиль потолочный) устроены профильные гофры, которые увеличивают их жесткость. Так как большинство металлов подвержено агрессивному, разрушающему воздействию некоторых веществ, находящихся в составе воздушной среды, профили обычно выпускаются с оцинкованным покрытием.

Цинк на воздухе покрывается слоем углекислого цинка, который защищает его от окисления. Цинковое покрытие прочно соединяется с поверхностью стали, образуя активный защитный слой, который может быть разрушен только путем воздействия на него концентрированных кислот. Места разрезов оцинкованных профилей не нуждаются в дополнительной защите от коррозии. Резка и сборка профилей производится с помощью разнообразных приспособлений и инструментов (электроножниц, просекателей и др.). Профили используются во всех категориях зданий – жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных. Они служат для формирования каркасов, различных по конструкции и назначению, в том числе для сборных перегородок, облицовок и подвесных потолков. Каркасы являются жестким основанием для крепления гипсокартонных листов и продукции на их основе.

Существуют несколько видов профилей: профиль стоечный (ПС), профиль направляющий (ПН), профиль направляющий потолочный (ПНП), потолочный профиль (ПП), профиль арочный (ПА), профиль угловой (ПУ-профиль).

Профиль стоечный (ПС). Профили стоечные имеют С-образную форму и служат, как правило, в качестве вертикальных стоек каркасов, предназначенных для различного рода перегородок и облицовок. Монтируется стоечный профиль в паре с соответствующим по размеру направляющим профилем. Стоечные профили изготавливают различных размеров сечения. Преимуществом некоторых профилей (например, ПС 50/50 мм) являются продольные канавки на полке профиля, которые центрируют шуруп при его ввинчивании, центральная канавка является ориентиром как при точной сборке каркаса, так и при установке отделочных листов. В спинке на каждом конце профиля имеются два отверстия, которые позволяют произвести монтаж инженерных коммуникаций внутри облицовок и перегородок.

Необходимый по размеру профиль выбирают, исходя из нужной высоты перегородки, ее конструкции и требований к звукоизоляции. Крепление стоечного профиля в направляющей производится посредством шурупов или с помощью просекателя путем просечки с отгибом.

Профиль направляющий (ПН). Направляющие профили имеют С-образную форму и служат в качестве направляющих для стоечных профилей, а также для устройства перемычек между ними в каркасах перегородок и для облицовок. Монтируются в паре с соответствующим по размеру ПС-профилем. Направляющие профили нередко производятся с готовыми отверстиями диаметром 8 мм в спинке профиля, предназначенными для установки дюбелей, что облегчает процесс крепления профиля к несущему основанию. При необходимости дополнительные отверстия для дюбелей можно просверлить в стенке направляющей с помощью дрели.

Профиль направляющий потолочный (ПНП). Профиль направляющий потолочный служит в качестве направляющей ПП-профилей 60/27 при монтаже каркаса подвесного потолка, а также при облицовке. При монтаже каркаса подвесного потолка ПНП-профиль крепится по периметру помещения. В случае установки каркаса облицовки профиль крепится к полу и потолку. В спинке профиля имеются отверстия диаметром 8 мм, расположенные с шагом около 250 мм, для крепления направляющей к несущему основанию при помощи дюбелей.

Профиль потолочный (ПП 60/27). Потолочный профиль имеет С-образную форму и предназначен для формирования каркаса подвесных потолков и облицовки стен. Профиль имеет размеры: а = 60 мм, b = 27 мм. Полки и спинка профиля имеют по три канавки для центровки ввинчиваемого шурупа и придают ему дополнительную жесткость. К несущему основанию (перекрытию) ПП-профиль крепится с помощью специальных подвесов, основным среди которых являются подвес прямой и подвес с зажимом. Для установки подвеса с зажимом края полок профиля загнуты внутрь и служат в качестве упора.

Подвес крепится на профиле с помощью шурупов. Широкая стенка служит удобным основанием для крепления облицовочных листов. При помощи специальных соединителей, входящих в комплект подвесного потолка, ПП-профиль позволяет произвести несложный монтаж каркаса нужной конструкции за короткий срок.

Профиль арочный (ПА). Арочный профиль является основой криволинейных облицовочных конструкций и изготавливается из ПП-профиля 60/27 с различными радиусами гибки, но не менее 500 мм. Гибка может быть выполнена как полками внутрь, так и наружу. Максимальная длина дуги арочного профиля (развертка) составляет 6000 мм.

Профиль угловой (ПУ-профиль 31/31). Угловой профиль предназначен для защиты наружных углов перегородок и облицовки от механических повреждений. Сечение ПУ-профиля выполнено в форме острого угла (85 градусов), что обеспечивает при его монтаже плотное прилегание к поверхности угла перегородки.

Полки профиля имеют перфорацию, диаметр отверстия – 5 мм. При установке профиля в отверстия проникает шпатлевка, предварительно нанесенная на угол конструкции, что обеспечивает прочное сцепление профиля с сопрягаемой поверхностью перегородки.